مقدمه

نور نقش کلیدی در فرآیند رشد گیاه ایفا می‌کند. نور بهترین کود برای افزایش جذب کلروفیل گیاه و جذب ویژگی‌های مختلف رشد گیاه مانند کاروتن است. با این حال، عامل تعیین‌کننده‌ای که رشد گیاهان را تعیین می‌کند، یک عامل جامع است که نه تنها به نور مربوط می‌شود، بلکه از پیکربندی آب، خاک و کود، شرایط محیط رشد و کنترل فنی جامع نیز جدایی‌ناپذیر است.

در دو یا سه سال گذشته، گزارش‌های بی‌پایانی در مورد کاربرد فناوری روشنایی نیمه‌هادی در مورد کارخانه‌های گیاهی سه‌بعدی یا رشد گیاه منتشر شده است. اما پس از خواندن دقیق آن، همیشه احساس نگرانی وجود دارد. به طور کلی، درک واقعی از نقشی که نور باید در رشد گیاه ایفا کند، وجود ندارد.

ابتدا، بیایید طیف خورشید را همانطور که در شکل ۱ نشان داده شده است، درک کنیم. می‌توان دید که طیف خورشیدی یک طیف پیوسته است که در آن طیف آبی و سبز قوی‌تر از طیف قرمز هستند و طیف نور مرئی از ۳۸۰ تا ۷۸۰ نانومتر متغیر است. رشد موجودات زنده در طبیعت به شدت طیف مربوط می‌شود. به عنوان مثال، اکثر گیاهان در منطقه نزدیک به خط استوا بسیار سریع رشد می‌کنند و در عین حال، اندازه رشد آنها نسبتاً زیاد است. اما شدت بالای تابش خورشید همیشه بهتر نیست و درجه خاصی از گزینش‌پذیری برای رشد حیوانات و گیاهان وجود دارد.

شکل ۱، ویژگی‌های طیف خورشیدی و طیف نور مرئی آن

ثانیاً، نمودار طیف دوم چندین عنصر کلیدی جذب رشد گیاه در شکل 2 نشان داده شده است.

شکل ۲، طیف جذبی چندین اکسین در رشد گیاه

از شکل ۲ می‌توان دریافت که طیف جذب نور چندین اکسین کلیدی که بر رشد گیاه تأثیر می‌گذارند، تفاوت قابل توجهی دارند. بنابراین، کاربرد چراغ‌های رشد گیاه LED یک موضوع ساده نیست، بلکه بسیار هدفمند است. در اینجا لازم است مفاهیم دو عنصر مهم رشد گیاه فتوسنتزی معرفی شود.

• کلروفیل

کلروفیل یکی از مهمترین رنگدانه‌های مرتبط با فتوسنتز است. این ماده در تمام موجودات زنده‌ای که می‌توانند فتوسنتز کنند، از جمله گیاهان سبز، جلبک‌های سبز-آبی پروکاریوتی (سیانوباکتری‌ها) و جلبک‌های یوکاریوتی وجود دارد. کلروفیل انرژی نور را جذب می‌کند و سپس از آن برای تبدیل دی‌اکسید کربن به کربوهیدرات‌ها استفاده می‌کند.

کلروفیل a عمدتاً نور قرمز و کلروفیل b عمدتاً نور آبی-بنفش را جذب می‌کند، که عمدتاً برای تمایز گیاهان سایه‌زی از گیاهان آفتاب‌زی است. نسبت کلروفیل b به کلروفیل a در گیاهان سایه‌زی کم است، بنابراین گیاهان سایه‌زی می‌توانند از نور آبی به شدت استفاده کنند و با رشد در سایه سازگار شوند. کلروفیل a آبی-سبز و کلروفیل b زرد-سبز است. دو جذب قوی برای کلروفیل a و کلروفیل b وجود دارد، یکی در ناحیه قرمز با طول موج 630-680 نانومتر و دیگری در ناحیه آبی-بنفش با طول موج 400-460 نانومتر.

• کاروتنوئیدها

کاروتنوئیدها اصطلاح عمومی برای دسته‌ای از رنگدانه‌های طبیعی مهم هستند که معمولاً به رنگ‌های زرد، نارنجی-قرمز یا قرمز در حیوانات، گیاهان عالی، قارچ‌ها و جلبک‌ها یافت می‌شوند. تاکنون بیش از ۶۰۰ کاروتنوئید طبیعی کشف شده است.

جذب نور کاروتنوئیدها محدوده OD303~505 نانومتر را پوشش می‌دهد که رنگ غذا را تأمین می‌کند و بر میزان مصرف غذا توسط بدن تأثیر می‌گذارد. در جلبک‌ها، گیاهان و میکروارگانیسم‌ها، رنگ آن توسط کلروفیل پوشیده شده و نمی‌تواند ظاهر شود. در سلول‌های گیاهی، کاروتنوئیدهای تولید شده نه تنها انرژی را برای کمک به فتوسنتز جذب و منتقل می‌کنند، بلکه عملکرد محافظت از سلول‌ها در برابر تخریب توسط مولکول‌های اکسیژن با پیوند تک الکترونی برانگیخته را نیز دارند.

برخی سوءتفاهم‌های مفهومی

صرف نظر از اثر صرفه‌جویی در مصرف انرژی، گزینش‌پذیری نور و هماهنگی نور، روشنایی نیمه‌هادی مزایای زیادی را نشان داده است. با این حال، از توسعه سریع دو سال گذشته، شاهد سوءتفاهم‌های زیادی در طراحی و کاربرد نور نیز بوده‌ایم که عمدتاً در جنبه‌های زیر منعکس می‌شوند.

① تا زمانی که تراشه‌های قرمز و آبی با طول موج مشخص با نسبت مشخصی ترکیب شوند، می‌توانند در کشت گیاه مورد استفاده قرار گیرند، به عنوان مثال، نسبت قرمز به آبی 4:1، 6:1، 9:1 و غیره است.

② تا زمانی که نور سفید باشد، می‌تواند جایگزین نور خورشید شود، مانند لامپ‌های نور سفید سه‌تایی که به طور گسترده در ژاپن استفاده می‌شوند و غیره. استفاده از این طیف‌ها تأثیر خاصی بر رشد گیاهان دارد، اما این تأثیر به خوبی منبع نوری ساخته شده توسط LED نیست.

③ تا زمانی که PPFD (چگالی شار کوانتومی نور)، یک پارامتر مهم روشنایی، به یک شاخص خاص برسد، به عنوان مثال، PPFD بیشتر از 200 میکرومول بر متر مربع بر ثانیه باشد. با این حال، هنگام استفاده از این شاخص، باید توجه داشته باشید که آیا گیاه سایه‌پسند است یا آفتاب‌پسند. باید نقطه اشباع جبران نور این گیاهان را که به آن نقطه جبران نور نیز گفته می‌شود، جستجو یا پیدا کنید. در کاربردهای واقعی، نهال‌ها اغلب سوخته یا پژمرده می‌شوند. بنابراین، طراحی این پارامتر باید با توجه به گونه گیاه، محیط رشد و شرایط طراحی شود.

در مورد جنبه اول، همانطور که در مقدمه ذکر شد، طیف مورد نیاز برای رشد گیاه باید یک طیف پیوسته با پهنای توزیع مشخص باشد. بدیهی است که استفاده از منبع نوری ساخته شده از دو تراشه با طول موج خاص قرمز و آبی با طیف بسیار باریک (همانطور که در شکل 3 (الف) نشان داده شده است) نامناسب است. در آزمایش‌ها مشخص شد که گیاهان تمایل به زرد شدن دارند، ساقه برگ‌ها بسیار روشن و ساقه برگ‌ها بسیار نازک است.

برای لامپ‌های فلورسنت با سه رنگ اصلی که معمولاً در سال‌های گذشته استفاده می‌شدند، اگرچه رنگ سفید سنتز می‌شود، اما طیف‌های قرمز، سبز و آبی از هم جدا می‌شوند (همانطور که در شکل 3 (ب) نشان داده شده است) و عرض طیف بسیار باریک است. شدت طیفی قسمت پیوسته زیرین نسبتاً ضعیف است و توان آن در مقایسه با LEDها هنوز نسبتاً زیاد است، 1.5 تا 3 برابر مصرف انرژی. بنابراین، اثر استفاده به خوبی چراغ‌های LED نیست.

شکل 3، نور گیاه LED تراشه‌ای قرمز و آبی و طیف نور فلورسنت سه رنگ اصلی

PPFD چگالی شار کوانتومی نور است که به چگالی شار نوری مؤثر نور در فتوسنتز اشاره دارد و نشان دهنده تعداد کل کوانتوم‌های نوری تابیده شده بر ساقه‌های برگ گیاه در محدوده طول موج ۴۰۰ تا ۷۰۰ نانومتر در واحد زمان و واحد سطح است. واحد آن μE·m-2·s-1 (μmol·m-2·s-1) است. تابش فعال فتوسنتزی (PAR) به کل تابش خورشیدی با طول موج در محدوده ۴۰۰ تا ۷۰۰ نانومتر اشاره دارد. این تابش را می‌توان یا با کوانتوم‌های نوری یا با انرژی تابشی بیان کرد.

در گذشته، شدت نور منعکس شده توسط ایلومینومتر، روشنایی بود، اما طیف رشد گیاه به دلیل ارتفاع لامپ از گیاه، پوشش نور و اینکه آیا نور می‌تواند از برگ‌ها عبور کند یا خیر، تغییر می‌کند. بنابراین، استفاده از پارامتر به عنوان شاخص شدت نور در مطالعه فتوسنتز دقیق نیست.

به طور کلی، مکانیسم فتوسنتز می‌تواند زمانی آغاز شود که PPFD گیاه آفتاب‌دوست بزرگتر از 50 میکرومول بر متر مربع بر ثانیه باشد، در حالی که PPFD گیاه سایه‌پسند فقط به 20 میکرومول بر متر مربع بر ثانیه نیاز دارد. بنابراین، هنگام خرید چراغ‌های رشد LED، می‌توانید تعداد چراغ‌های رشد LED را بر اساس این مقدار مرجع و نوع گیاهانی که می‌کارید انتخاب کنید. به عنوان مثال، اگر PPFD یک چراغ LED 20 میکرومول بر متر مربع بر ثانیه باشد، برای رشد گیاهان آفتاب‌دوست به بیش از 3 لامپ LED گیاهی نیاز است.

چندین راه حل طراحی برای روشنایی نیمه هادی

نورپردازی نیمه هادی برای رشد یا کاشت گیاه استفاده می‌شود و دو روش مرجع اساسی وجود دارد.

• در حال حاضر، مدل کاشت گیاهان در فضای بسته در چین بسیار داغ است. این مدل چندین ویژگی دارد:

① نقش چراغ‌های LED تأمین طیف کامل روشنایی گیاه است و سیستم روشنایی برای تأمین تمام انرژی روشنایی مورد نیاز است و هزینه تولید آن نسبتاً زیاد است.
② طراحی چراغ‌های رشد LED باید پیوستگی و یکپارچگی طیف را در نظر بگیرد.
③ لازم است زمان روشنایی و شدت روشنایی به طور مؤثر کنترل شود، مانند اجازه دادن به گیاهان برای چند ساعت استراحت، شدت تابش کافی یا خیلی قوی نیست و غیره.
④ کل فرآیند باید شرایط مورد نیاز محیط رشد بهینه گیاهان در فضای باز، مانند رطوبت، دما و غلظت CO2 را تقلید کند.

• حالت کاشت در فضای باز با پایه کاشت مناسب گلخانه در فضای باز. ویژگی‌های این مدل عبارتند از:

① نقش چراغ‌های LED تکمیل نور است. یکی افزایش شدت نور در نواحی آبی و قرمز تحت تابش نور خورشید در طول روز برای افزایش فتوسنتز گیاهان و دیگری جبران کمبود نور خورشید در شب برای افزایش سرعت رشد گیاه.
② برای نور تکمیلی باید در نظر گرفت که گیاه در کدام مرحله رشدی قرار دارد، مانند دوره جوانه‌زنی یا دوره گلدهی و میوه‌دهی.

بنابراین، طراحی چراغ‌های رشد گیاه LED ابتدا باید دو حالت طراحی اساسی داشته باشد، یعنی روشنایی 24 ساعته (داخل ساختمان) و روشنایی مکمل رشد گیاه (خارج ساختمان). برای کشت گیاهان در داخل ساختمان، طراحی چراغ‌های رشد LED باید سه جنبه را در نظر بگیرد، همانطور که در شکل 4 نشان داده شده است. بسته‌بندی تراشه‌ها با سه رنگ اصلی در یک نسبت خاص امکان‌پذیر نیست.

شکل ۴، ایده طراحی استفاده از چراغ‌های تقویت‌کننده گیاهان LED داخلی برای روشنایی ۲۴ ساعته

برای مثال، برای یک طیف در مرحله نهالستان، با توجه به اینکه نیاز به تقویت رشد ریشه و ساقه، تقویت انشعاب برگ ها دارد و منبع نور در فضای داخلی استفاده می شود، می توان طیف را مطابق شکل ۵ طراحی کرد.

شکل 5، ساختارهای طیفی مناسب برای دوره پرورش کودک با لامپ‌های LED داخلی

برای طراحی نوع دوم چراغ رشد LED، عمدتاً هدف، ارائه راهکار طراحی برای تکمیل نور جهت ترویج کاشت در پایه گلخانه در فضای باز است. ایده طراحی در شکل 6 نشان داده شده است.

شکل 6، ایده‌های طراحی چراغ‌های رشد در فضای باز 

نویسنده پیشنهاد می‌کند که شرکت‌های کاشت گیاهان بیشتر، گزینه دوم یعنی استفاده از چراغ‌های LED را برای تقویت رشد گیاه اتخاذ کنند.

اول از همه، کشت گلخانه‌ای در فضای باز چین، چه در جنوب و چه در شمال، دهه‌ها تجربه و وسعت زیادی دارد. این کشور پایه و اساس خوبی در فناوری کشت گلخانه‌ای دارد و تعداد زیادی میوه و سبزیجات تازه را برای شهرهای اطراف در بازار فراهم می‌کند. به ویژه در زمینه خاک و آب و کاشت کود، نتایج تحقیقاتی غنی حاصل شده است.

ثانیاً، این نوع راهکار نوری تکمیلی می‌تواند مصرف غیرضروری انرژی را تا حد زیادی کاهش دهد و در عین حال می‌تواند به طور مؤثر عملکرد میوه‌ها و سبزیجات را افزایش دهد. علاوه بر این، منطقه جغرافیایی وسیع چین برای تبلیغات بسیار مناسب است.

به عنوان یک تحقیق علمی در مورد نورپردازی گیاهان با LED، این تحقیق یک پایگاه تجربی گسترده‌تر نیز برای آن فراهم می‌کند. شکل 7 نوعی چراغ رشد LED است که توسط این تیم تحقیقاتی توسعه داده شده است و برای کشت در گلخانه‌ها مناسب است و طیف آن در شکل 8 نشان داده شده است.

شکل 7، نوعی چراغ رشد LED

شکل 8، طیف نوعی چراغ رشد LED

با توجه به ایده‌های طراحی فوق، تیم تحقیقاتی مجموعه‌ای از آزمایش‌ها را انجام داد و نتایج آزمایش‌ها بسیار قابل توجه است. به عنوان مثال، برای نور رشد در طول دوره پرورش، لامپ اصلی مورد استفاده یک لامپ فلورسنت با قدرت ۳۲ وات و چرخه پرورش ۴۰ روزه است. ما یک چراغ LED ۱۲ واتی ارائه می‌دهیم که چرخه رشد نهال را به ۳۰ روز کاهش می‌دهد، به طور موثر تأثیر دمای لامپ‌ها را در کارگاه پرورش نهال کاهش می‌دهد و در مصرف برق تهویه مطبوع صرفه‌جویی می‌کند. ضخامت، طول و رنگ نهال‌ها بهتر از محلول اصلی پرورش نهال است. برای نهال‌های سبزیجات معمولی، نتایج تأیید خوبی نیز به دست آمده است که در جدول زیر خلاصه شده است.

در میان آنها، PPFD گروه نور تکمیلی: 70-80 میکرومول بر متر مربع بر ثانیه و نسبت قرمز-آبی: 0.6-0.7 بود. محدوده مقدار PPFD در طول روز گروه طبیعی 40 تا 800 میکرومول بر متر مربع بر ثانیه و نسبت قرمز به آبی 0.6 تا 1.2 بود. مشاهده می‌شود که شاخص‌های فوق بهتر از نهال‌های رشد یافته به صورت طبیعی هستند.

نتیجه‌گیری

این مقاله به معرفی آخرین پیشرفت‌ها در کاربرد چراغ‌های رشد LED در کشت گیاهان می‌پردازد و به برخی از سوءتفاهم‌ها در کاربرد چراغ‌های رشد LED در کشت گیاهان اشاره می‌کند. در نهایت، ایده‌ها و طرح‌های فنی برای توسعه چراغ‌های رشد LED مورد استفاده برای کشت گیاهان معرفی می‌شوند. باید اشاره کرد که برخی عوامل نیز وجود دارند که باید در نصب و استفاده از چراغ در نظر گرفته شوند، مانند فاصله بین چراغ و گیاه، برد تابش لامپ و نحوه استفاده از چراغ با آب، کود و خاک معمولی.

نویسنده: یی وانگ و همکاران منبع: CNKI